使用 ToF 傳感器進行距離測量和手勢識別的基本原理-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯使用ToF傳感器進行距離測量和手勢識別的基本原理-基礎電子很多應用需要在不接觸實際物體的情況下，感測物體的存在或距離。這種接近感應需求催生了眾多競爭性解決方案，包括光學飛行時間(ToF)傳感器。雖然這些傳感器非常，但其成本一直非常昂貴，并且實施復雜；不過近的解決方案已經(jīng)顯著簡化了此類技術的使用。使用接近感應的產(chǎn)品列表包括相機自動對焦系統(tǒng)、機器人和無人機、各種浴室裝置，以及自動門的門禁傳感器。這里只是舉了幾個例子，此類產(chǎn)品列表還在不斷擴大。競爭性的接近感應技術首先是簡單的紅外線和超聲波傳感器，再逐漸發(fā)展到更復雜的傳感器系統(tǒng)，例如使用神經(jīng)網(wǎng)絡的立體視頻攝像機。所有這些技術都存在局限性，并且可能需要人工智能來實施復雜任務，例如自主駕駛車輛的對象識別和跟蹤，但對于分配紙巾和肥皂這樣的任務，這些技術又顯得大材小用了。設計人員面臨著不斷縮緊的預算和日益緊迫的設計時間窗口，他們需要地減少成本、空間和設計時間。一種替代型接近感應解決方案是ToF傳感器。它們通過測量光子從傳感器發(fā)射到物體并反射回來的往返時間，測量與目標物體之間的距離。截止目前，一直是很難以低成本快速地實施ToF設計，但新一代高度集成的低成本ToF傳感器讓我們能夠將高度的非接觸式感應技術帶入低成本設計中。本文將討論包括ToF傳感器在內的距離測量技術在各種距離感測和手勢識別應用中的演進和使用情況。接著，本文將描述ToF傳感器技術的工作原理，還將介紹一些的解決方案及其入門使用方法。早期的接近傳感器1972年推出的寶麗來SX-70即拍即得相機采用了眾多創(chuàng)新技術，其中包括一種三反光學設計折疊了扁平的Fresnel鏡頭、一個扁平6伏電池內置在即時膠片封裝中，以及一個十次使用的FlashBar閃光燈。但是，寶麗來在SX-70中引入的一種影響的技術莫過于Sonar自動對焦系統(tǒng)。這種系統(tǒng)初出現(xiàn)在1978年推出的寶麗來SONAROneStep相機中（圖1）。SONAR自動對焦系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的超聲波傳感器，既可用于發(fā)射超聲波測距脈沖，又可用于接收反射的超聲波能量。寶麗來SONAROneStepSX-70相機采用了超聲波傳感器（相機頂部的大金色圓圈）來實現(xiàn)自動對焦測距。（圖片：維基百科）SONAR的超聲波傳感器取得了極大成功，寶麗來為該傳感器設立了專門業(yè)務，直至今日，寶麗來超聲波自動對焦傳感器仍然有著巨大影響。例如，價格低廉的SparkFunSEN-13959HRC-SR04超聲波測距模塊是一款距離傳感器，采用單獨的傳輸和接收傳感器（圖2）。該傳感器可由Arduino開發(fā)板直接驅動。其測距范圍在2至400厘米(cm)之間，能夠進行無接觸的近距離測量，分辨率為3毫米(mm)。SparkFun的SEN-13959超聲波測距模塊使用反射的40kHz脈沖來感測距離。（圖片：SparkFun）為了使用此模塊來測量距離，Arduino電路板（或其他控制器）發(fā)送10微秒(?s)脈沖到電路板的Trig引腳，該引腳觸發(fā)一系列由超聲波發(fā)射器發(fā)射的八個短超聲波脈沖。超聲波脈沖遇到目標后反射回來，速度為每秒343米(m)（在典型環(huán)境下，溫度為20?C）。與目標之間的距離計算方法是：超聲波脈沖發(fā)射和接收之間的時間長度乘以每秒343米，再除以2（因為時間是往返時間）。超聲波脈沖遇到硬表面時，其反射效果好，但如果遇到簾子、地毯、衣服和聚酯塑料等軟表面，反射效果就不太理想。測量度將取決于所使用的脈沖計時方法。SparkFunSEN-13959模塊沒有此類計時控制功能。該模塊依賴于主機CPU進行計時。此外，超聲波傳感器進行距離測量的度和穩(wěn)定性會隨著空氣溫度（溫度會改變聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣龋┖涂諝饬鲃樱ㄟ@會帶走很多反射的超聲波能量并衰減返回信號）而發(fā)生變化。紅外線(IR)LED也一直用于接近檢測和距離測量。例如，SharpMicroelectronicsGP2Y0A41SK0F距離測量傳感器裝置能夠根據(jù)從IRLED發(fā)出的反射紅外線光的強度，感應4cm至30cm距離范圍內的物體（圖3）。該傳感器輸出模擬電壓，電壓范圍從3伏特以上（對應于3cm的距離）至大約0.3伏特（對應于40cm的距離），以指示物體距離。主機控制器負責將此模擬電壓轉換為數(shù)字表示。SharpGP2Y0A41SK0F紅外線距離測量傳感器裝置能夠檢測3cm至40cm范圍內的物體。（圖片：SharpMicroelectronics）然而，由于物體距離的計算依據(jù)是反射的紅外線能量多少，因此這種紅外線傳感器的度會受到多個可變因素的影響，例如物體反射率和環(huán)境光強度。另一種使用紅外線光測量物體距離的方法是測量光子從傳感器的紅外發(fā)射器發(fā)射到物體，再反射回到傳感器的飛行時間。這種近距離測量傳感器將超聲波傳感器的ToF特征與光子速度的相對無干擾性（不受流動空氣、環(huán)境光或反射率的影響）結合在一起。一直到近，我們都很難測量光子短距離發(fā)射的飛行時間，因為光速高達299,792,458米/秒，根據(jù)經(jīng)驗，這相當于大約每納秒一英尺。因此，ToF傳感器需要非常的次納秒級計時，這樣才能檢測幾微米、幾厘米甚至數(shù)英寸的距離。不過，ToF傳感器技術的成本已經(jīng)顯著降低，這要歸功于視頻游戲產(chǎn)業(yè)。截止目前，也許ToF傳感器廣為人知的應用是Microsoft?的Kinect游戲控制器（圖4）。代MicrosoftKinect在2022年底推出，作為該公司Xbox360的外設。這個控制器在機器人制造公司中應用非常廣泛，因為它能夠使用ToF距離感測，生成機器人即時環(huán)境的三維地圖。MicrosoftKinect控制器適用于該公司的Xbox360視頻游戲控制臺，采用ToF感測技術來創(chuàng)建周邊環(huán)境的三維地圖。（圖片：維基百科）Kinect控制器的感應技術經(jīng)過了微型化和簡化處理，以創(chuàng)建適合眾多嵌入式應用的實用距離測量傳感器。VCSEL和SPAD例如，STMicroelectronics現(xiàn)在擁有幾代微型ToF傳感器產(chǎn)品系列，可用于近距離測量。這些傳感器基于一些非?，F(xiàn)代化的基礎技術，包括紅外線垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)和單光子雪崩光電二極管陣列(SPAD)。這個ToF傳感器產(chǎn)品系列的三款傳感器是VL53L0CX、VL53L1CX和VL6180X。雖然這三款產(chǎn)品都可用來測量距離，但它們具有不同的功能。代VL6180XToF傳感器具有一種距離模式，可測量從幾毫米到100mm的距離（圖5）。這款傳感器的尺寸為4.8x2.8x1.0mm，視場角為42度。它還帶有內置的環(huán)境光傳感器，能夠補償環(huán)境光的變化。STMicroelectronics的代VL6180X傳感器的測量距離為100mm。（圖片：STMicroelectronics）第二代VL53L0CXToF傳感器對白色目標的室內測量距離為50至1200mm（圖6）。這款傳感器的尺寸為4.4x2.4x1.0mm，視場角為25度。當傳感器在室外使用時，由于環(huán)境光的作用，測量距離縮小為600至800mm。STMicroelectronics的第二代VL53L0CX傳感器的圖片圖6：STMicroelectronics的第二代VL53L0CX傳感器的測量距離為1200mm。（圖片：STMicroelectronics）第三代VL53L1CXToF傳感器具有三種距離模式（圖7）。在短距離、中距離和長距離這三種模式下，當沒有環(huán)境光時，白色目標的測量距離分別為1360、2900和3600mm。在環(huán)境光很強的情況下，短距離、中距離和長距離這三種模式下的測量距離分別為1350、760和730mm。這與我們的直覺相反，在環(huán)境光很強的情況下，短距離模式的測量距離長。VL53L1CX的尺寸為4.9x2.5x1.56mm，視場角為27度。（這款傳感器的視場可以進行編程并且可以縮小，如下所述。）STMicroelectronics的第三代VL53L1CX傳感器的測量距離接近4m。（圖片：STMicroelectronics）所有這三款ToF傳感器都支持近距離測量，分辨率為1mm，通過數(shù)字I2C接口到主機處理器，該接口也作為傳感器的控制端口。由于這些傳感器都使用I2C接口，因此連接到主機處理器極為簡單（圖8）。與產(chǎn)品系列中的早期傳感器相同，STMicroelectronics的第三代VL53L1CX傳感器使用簡單的I2C連接來連接到主機處理器。請注意AVDDVCSEL和AVDD電源線非常特殊的旁路要求。100納法和4.7微法的旁路電容器需要盡可能靠近傳感器，以防止電源噪聲進入傳感器和降低度。這些ToF傳感器實質上全部都是一維的。它們視場范圍內的物體接近度。如果視場范圍內存在多個物體，這些傳感器將與近物體的距離。單個傳感器無法檢測單手手勢的方向，但可用于檢測四個簡單手勢，包括：單擊（手向下移動“輕擊”傳感器）雙擊單次輕掃（手移動滑過傳感器的視場）雙次輕掃通過使用一個、兩個或更多傳感器，在多個維度上檢測手勢和運動，可以從其中一個ToF傳感器獲取手勢和運動信息。通過使用成對的ToF傳感器，也可以探測從左至右和從右至左的手部移動。此外，還可以通過有選擇地縮小視場范圍，從第三代VL53L1CX接近傳感器獲取更多信息。這要使用通過I2C接口發(fā)送到傳感器的命令，關閉傳感器陣列中的各個SPAD來實現(xiàn)。VL53L1CX接近傳感器的SPAD陣列為16x16陣列，包括256個光電二極管。該陣列的任何方形或矩形部分可以通過軟件命令來激活，這些命令可指定陣列中應激活的SPAD周圍方框的兩個角。通過減少激活元件的數(shù)量，可減小傳感器的視場并縮小傳感器的感應區(qū)域。要求是必須至少激活16個SPAD，形成一個4x4光電二極管陣列，但也允許更大的陣列。在設計中使用ToF傳感器為了快速啟動設計，VL53L1CX接近傳感器隨附了評估套件P-NUCLEO-53L1A1。該套件包括STM32F401RENucleo評估板，該板基于STMicroelectronicsSTM32微控制器；還包括X-NUCLEO-53L1A1擴展板，該板安裝在微控制器板上并接受兩個VL53L1X分線板（也包括在套件中）

STMicroelectronicsP-NUCLEO-53L1A1評估套件中的傳感器分線板包括一個V53L1XToF接近傳感器，它是直接安裝在板上。該板可在插接式分線板上接受另外兩個V53L1X傳感器。（圖片：STMicroelectronics）

P-NUCLEO-53L1A1評估套件還包括系統(tǒng)軟件和源代碼示例，以幫助快速啟動開發(fā)工作。STMicroelectronics還為STM32Cube軟件開發(fā)包提供了TOF距離測量和手勢檢測擴展模塊。這些擴展模塊專用于各個傳感器，并且可從STMicroelectronics直接。由于這些STMicroelectronicsToF傳感器非常小巧，它們可以用于設計人員可能想像得到的幾乎任何位置。以下幾個應用示例可幫助發(fā)揮想像力：機器人通用接近傳感器自動感應紙巾和肥皂分配器自動感應坐便器和小便斗沖洗器自動感應水槽水龍頭機器人真空吸塵器的墻壁邊清掃和避障傳感器便攜式電腦和監(jiān)視器的低成本操作人員在場檢測器零售自助服務終端的簡單在場和手勢檢測自動售貨機的物理庫存管理自動售貨機的硬幣計數(shù)可自動管理無人商店庫存的智能貨架無人機的地面迫近檢測室內無人機的天花板接近檢測與基于二維ToF傳感器或立體相機和神經(jīng)網(wǎng)絡的接近檢測器不同，這些